模型介绍、评估和参数调优（附代码）

我们在用训练数据对模型进行拟合时会得到模型的一些参数，但将模型用于新数据时需重设这些参数，并且还需要评估这个模型的实用性。我们可以利用scikit-learn中的一些方法来达到这么目的。
我们本次所用到的数据是威斯康星乳腺癌数据（满大街了都）
先加载数据吧。可以利用pandas直接去UCI网站读取

import pandas as pd
df = pd.read_csv('https://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/breast-cancer-wisconsin/wdbc.data',header=None)

接下来我们可以观察下数据

df.head()

可以看到该数据有32列，第二列是关于样本的诊断结果（M代表恶性，B代表良性），第3列-32列包含了30个从细胞核照片中提取、用实数值标识的特征

#观察缺失值,可以看到没有缺失值import missingno
missingno.matrix(df)

对于分类模型来讲，目标变量值最好为数值，比如男为1，女为0。我们可以观察到该数据集的目标变量为M和B,要将其转化为0,1.而我们该兴趣的是恶性的，所以要将M变为1，B变为0

#先将数据分为特征列和目标列X=df.loc[:,2:].values
y=df.loc[:,1].valuesfrom sklearn.preprocessing import LabelEncoder
le = LabelEncoder()
y=le.fit_transform(y)

被sklearn的LabelEncoder转换器转换之后，类标被存储在一个数组y中，此时M被标识为1，B为0.我们可以通过transform方法来显示虚拟类标

le.transform(['M','B'])
Out:array([1, 0], dtype=int64)

也可以查看下类的比例情况

pd.Series.value_counts(y)

image.png

接下来将数据分为训练集和测试集

from sklearn.model_selection import train_test_split
X_train,X_test,y_train,y_test = train_test_split(X,y,test_size=0.2,random_state=1)

1.基于流水线的工作流

接下来我们可以利用Pipeline类来进行工作流

from sklearn.preprocessing import StandardScalerfrom sklearn.decomposition import PCAfrom sklearn.linear_model import LogisticRegressionfrom sklearn.pipeline import Pipeline
pipe_lr = Pipeline([('scl',StandardScaler()),('pca',PCA(n_components=2)),('clf',LogisticRegression(random_state=1))])
pipe_lr.fit(X_train,y_train)
print("Test Accuracy:%.3f"%pipe_lr.score(X_test,y_test))
Out:Test Accuracy: 0.947

Pipeline对象采用元组的序列作为输入，其中每个元组中的第一个值为一个字符串，可以是任意的标识符，我们通过它来访问流水线中的元素，而元组的第二个值则为scikit-learn中的一个转换器或者评估器。我们以上的例子的执行顺序是先用StandardScaler将数据集标准化，然后将数据集降维到2维空间，然后再用逻辑回归拟合训练集。

2.使用K折交叉验证评估模型性能

如果一个模型过于简单，可能会面试欠拟合（高偏差）问题，但是如果模型太过复杂，又会面临过拟合（高方差）问题。所以我们必须要借助一些手段对模型进行评估。其中最常用的就是K折交叉验证，该方法鲁棒性好。可以比较好的应对噪声等问题
k折交叉验证的原理就是我们不重复地随机将训练数据集划分为K个，其中K-1个用于模型的训练，剩余的1个用于测试。重复此过程K次，我们就可以得到K个模型对模型性能的评价

2.jpg

K折交叉验证使用无重复抽样技术.通常情况下，我们将K折交叉验证用于模型的调优，也就是找到使得模型泛化性能最优的超参值。一旦我们找到了满意的超参值，我们就可以在全部的训练集上重新训练模型，并使用独立的测试集对模型性能做出最终评价。k折交叉验证中K的值一般是10，对于大多数数据来说是比较合理的。但是如果数据集比较小，建议加大K值。这可以是模型评价时得到较小的偏差（不怎么会欠拟合），但是方差会变大（过拟合）。当数据集非常小时，建议用留一交叉验证。留一交叉验证是将数据集划分的数量等同于样本量（k=n）,这样每次只有一个样本用于测试。如果数据集较大，可以减少K值。在scikit-learn中可以用KFold来进行k折交叉验证。但是当类别比例相差较大时，建议用分层交叉验证。在分层交叉验证中，类别比例在每个分块中得以保持，这使得每个分块中的类别比例与训练集的整体比例一致。

#分层K折交叉验证#当我们使用kfold迭代器在k个块中进行循环时，使用train中返回的索引去拟合逻辑斯底回归流水线。通过流水线，我们可以保证#每次迭代时样本都得到标准化缩放，然后使用test索引计算模型的准确性和f1值，并存放到两个列表中，用于计算平均值和标准差import numpy as npfrom sklearn.model_selection import StratifiedKFoldfrom sklearn.pipeline import Pipelinefrom sklearn.linear_model import LogisticRegressionfrom sklearn.decomposition import PCAfrom sklearn.preprocessing import StandardScalerfrom sklearn.metrics import f1_score
pipe_lr = Pipeline([('scl',StandardScaler()),('clf',LogisticRegression(random_state=1))])
kfold = StratifiedKFold(n_splits=10,random_state=1) #通过n_splits来设置块的数量scores=[]
f1_scores=[]for k,(train,test) in enumerate(kfold.split(X_train,y_train)):
    pipe_lr.fit(X_train[train],y_train[train])
    p_pred = pipe_lr.predict(X_train[test])
    f1_sc = f1_score(y_true=y_train[test],y_pred=p_pred)
    f1_scores.append(f1_sc)
    score=pipe_lr.score(X_train[test],y_train[test])
    scores.append(score)
    print('Fold: %s, Class dist.: %s,Acc: %.3f,f1 score:%.3f' %(k+1,np.bincount(y_train[train]),score,f1_sc))

得到的结果为：

image.png

print('CV accuracy: %.3f +/- %.3f' %(np.mean(scores),np.std(scores)))print("CV f1 score:%.3f +/- %.3f"%(np.mean(f1_scores),np.std(f1_scores)))

image.png

也可以使用sklearn中的cross_val_score直接将上述的结果计算出来

#sklearn方法求分成k折交叉验证#cross_val_score可以将不同分块的性能评估分布到多个CPU上处理。如果将n_jobs参数设置为1，则与StratifiedKFold一样，#只使用一个CPU对性能进行评估，如果设置为-1，则可利用计算机所有的CPU并行地进行计算。还可通过scoring参数来计算#不同的评估指标from sklearn.model_selection import cross_val_score
scores=cross_val_score(estimator=pipe_lr,
                      X=X_train,
                      y=y_train,
                      scoring="accuracy",
                      cv=10,
                      n_jobs=1)
print("CV accuracy scores: %s" % scores)

image.png

print('CV accurary:%.3f +/- %.3f'%(np.mean(scores),np.std(scores)))

• cross_val_score中scoring参数可以取以下这些：Valid options are ['accuracy', 'adjusted_mutual_info_score', 'adjusted_rand_score', 'average_precision', 'completeness_score', 'explained_variance', 'f1', 'f1_macro', 'f1_micro', 'f1_samples', 'f1_weighted', 'fowlkes_mallows_score', 'homogeneity_score', 'mutual_info_score', 'neg_log_loss', 'neg_mean_absolute_error', 'neg_mean_squared_error', 'neg_mean_squared_log_error', 'neg_median_absolute_error', 'normalized_mutual_info_score', 'precision', 'precision_macro', 'precision_micro', 'precision_samples', 'precision_weighted', 'r2', 'recall', 'recall_macro', 'recall_micro', 'recall_samples', 'recall_weighted', 'roc_auc', 'v_measure_score']

计算f1值

from sklearn.model_selection import cross_val_score
f1_scores = cross_val_score(estimator=pipe_lr,X=X_train,y=y_train,scoring='f1',cv=10,n_jobs=-1)
print('CV f1 scores:%s'%f1_scores)

计算auc值

from sklearn.model_selection import cross_val_score
aucs = cross_val_score(estimator=pipe_lr,X=X_train,y=y_train,scoring='roc_auc',cv=10,n_jobs=-1)
print('CV auc scores:%s'%aucs)

3.通过学习及验证曲线来调试算法

3.1通过学习曲线，我们可以判定算法偏差和方差问题。

将模型的训练及准确性验证看做是训练数据集大小的函数，并绘制图像，我们可以比较容易的看出模型是高偏差还是高方差的问题，以及收集更多的数据是否有助于解决问题

1.jpg

上图中左一是个高偏差模型，准确率和交叉验证准确率都很低，表示模型并没有很好地拟合数据。解决办法：增加模型中参数的数量。比如收集或构建额外特征，或者降低线性模型比如逻辑回归和线性SVM的正则化程度。正则化是解决共线性（特征间高度相关）的一个好办法，他可以过滤掉噪声，并最终防止过拟合。正则化是引入额外的信息来对极端参数做出惩罚。最常用的是L2正则化，也有L1正则化。特征缩放（标准化，归一化）之所以重要，其中原因之一就是正则化，为了使得正则化起作用，需要确保所有特征的衡量标准保持统一。

在以上的例子中，我们使用的是Logistic回归分类器，在该分类器中，我们可以调整的超参有：

• penalty：正则惩罚项，可以选L1或者L2.默认是L2

• C:正则化倒数，C越小，代表正则化程度越高

• solver:有四个值可选：'netton-cg','lbfgs',liblinear','sag'.默认是liblinear，该方法对数据量小的数据效果较好，且只能处理两分类。sag在数据量比较大的时候速度 较快。面对多分类的话，除了liblinear之外其他都可以，且另外几个只能支持L2惩罚项。

上图中右一是个高方差模型，训练准确率和交叉验证准确率之间有很大差距。针对此问题的解决方案是：收集更多的训练数据（降低模型过拟合的概率）或者降低模型的复杂度，比如增加正则化程度，降低特征的数量等。
对于不适合正则化的模型，可以通过特征选择或者特征提取降低特征的数量

import matplotlib.pyplot as pltimport numpy as np
%matplotlib inlinefrom sklearn.model_selection import learning_curvefrom sklearn.pipeline import Pipelinefrom sklearn.linear_model import LogisticRegressionfrom sklearn.preprocessing import StandardScaler
pipe_lr = Pipeline([('scl',StandardScaler()),('clf',LogisticRegression(penalty='l2',random_state=0))])
train_sizes,train_scores,test_scores = learning_curve(
    estimator=pipe_lr,
X=X_train,
y=y_train,
train_sizes = np.linspace(0.1,1.0,10),
cv=10,
n_jobs=-1)
train_mean = np.mean(train_scores,axis=1)
train_std = np.std(train_scores,axis=1)
test_mean = np.mean(test_scores,axis=1)
test_std = np.std(test_scores,axis=1)
plt.plot(train_sizes,train_mean,color='blue',marker='o',markersize=5,label='training accuracy')
plt.fill_between(train_sizes,train_mean+train_std,train_mean-train_std,alpha=0.15,color='blue')
plt.plot(train_sizes,test_mean,color='green',linestyle='--',markersize=5,label='validation accuracy')
plt.fill_between(train_sizes,test_mean+test_std,test_mean-test_std,color='green',alpha=0.15)
plt.grid()
plt.xlabel('Number of training samples')
plt.ylabel('Accuracy')
plt.legend(loc='best')
plt.ylim([0.8,1.0])

通过上面的代码，我们可以得到下面的学习曲线

从图像上来，模型在测试机上表现良好.但有些地方有较小差距，意味着有轻微的过拟合

通过learning_curve中的train_size参数，我们可以控制用于生成学习曲线的样本的绝对或相对数量。在此，通过设置train_size=np.linspace(0.1,1,10)来使用训练集上等距间隔的10个样本。默认情况下，learning_curve函数使用分层K折交叉验证来计算准确率。

3.2通过验证曲线，我们可以判定算法欠拟合和过拟合问题。

验证曲线和学习曲线相似，不过绘制的不是样本大小和训练准确率、测试准确率之间的函数关系，而是准确率与模型参数之间的关系

from sklearn.model_selection import validation_curve
param_range = [0.001,0.01,0.1,1.0,10.0,100.0]
pipe_lr = Pipeline([('scl',StandardScaler()),('clf',LogisticRegression(penalty='l2',random_state=0))])
train_scores,test_scores = validation_curve(
estimator=pipe_lr,
X=X_train,
y=y_train,
param_name='clf__C',
param_range=param_range,
cv=10)
train_mean = np.mean(train_scores,axis=1)
train_std = np.std(train_scores,axis=1)
test_mean = np.mean(test_scores,axis=1)
test_std = np.std(test_scores,axis=1)
plt.plot(param_range,train_mean,color='blue',marker='o',markersize=5,label='training accuracy')
plt.fill_between(param_range,train_mean+train_std,train_mean-train_std,color='blue',alpha=0.15)
plt.plot(param_range,test_mean,color='green',linestyle='--',markersize=5,label='validation accuracy')
plt.fill_between(param_range,test_mean+test_std,test_mean-test_std,color='green',alpha=0.15)
plt.grid()
plt.xscale('log') #设置X轴的缩放比例，可以用'log','linear','logit','symlog'plt.legend(loc='best')
plt.xlabel('Parameter C')
plt.ylabel('Accuracy')
plt.ylim([0.8,1])

通过上面的代码，得到下面的图形：

可以看到，如果加大正则化程度(较小的C),会导致模型轻微的欠拟合，如果降低正则化程度(较大的C),会趋向于过拟合。在本例中，最好的C值是0.1

4.使用网络搜索调优模型

在机器学习中，有两类参数：一是通过训练数据学习得到的参数，如Logistic回归中的回归系数；二是算法中需要单独进行优化的参数，即调优参数，也称超参，如逻辑回归中的正则化系数，决策树中的深度系数。
我们之前是通过验证曲线来得到较优的C值，但是通过图形来得出最优值会带点主观性，所以我们可以利用网格搜索，通过明确的结果寻找最优的超参值的组合

from sklearn.model_selection import GridSearchCV
pipe_lr = Pipeline([('scl',StandardScaler()),('clf',LogisticRegression(random_state=0))])
param_range=[0.0001,0.001,0.01,0.1,1,10,100,1000]
param_penalty=['l1','l2']
param_grid=[{'clf__C':param_range,'clf__penalty':param_penalty}]
gs = GridSearchCV(estimator=pipe_lr,
                 param_grid=param_grid,
                 scoring='f1',
                 cv=10,
                 n_jobs=-1)
gs = gs.fit(X_train,y_train)
print(gs.best_score_)
print(gs.best_params_)

得到的结果为：

0.970063106828
{'clf__C': 0.1, 'clf__penalty': 'l2'}

可以看到C值和penalty的最优组合是0.1和l2。
在上述代码中，我们是在流水线中调优的，所以在GridSearchCV的param_grid参数以字典的方式定义待调优的参数时，我们填写的是clf__C(英文状态下两个下划线)和clf__penalty,这个clf在流水线中代表定义的逻辑回归，后面代表的是要调优的参数。
在训练数据集上完成网格搜索后，可以通过best_score_属性得到你在scoring参数中指定的指标的最优值，而具体的待调优的参数信息可通过best_params_属性得到

最后我们可以通过GridSearchCV对象的best_estimator_属性对最优模型进行性能评估

from sklearn.metrics import f1_score
clf = gs.best_estimator_
clf.fit(X_train,y_train)
y_pred = clf.predict(X_test)
print('Test f1 score:%.3f'%f1_score(y_true=y_test,y_pred=y_pred))

得到的结果为：

Test f1 score:0.963

也可以这样：

from sklearn.model_selection import cross_val_score
clf=gs.best_estimator_
clf.fit(X_train,y_train)
f1_scores = cross_val_score(estimator=clf,X=X,y=y,scoring='f1',cv=10,n_jobs=-1)
print("CV f1 score:%.3f"%np.mean(f1_scores))

网格搜索虽然很给力，但是计算速度不怎么好。因为它通过对我们指定的不同超参列表进行暴力穷举搜索，并计算评估每个组合对模型性能的影响，以获得参数的最优组合在sklearn中，还有其他的方法，具体可以参考：http://scikit-learn.org/stable/modules/grid_search.html#exhaustive-grid-search

5.通过嵌套交叉验证选择算法

5X2交叉验证

在嵌套交叉验证的外围循环中，我们将数据划分为训练块和测试块，用于模型选择的内部循环中，我们基于外围的训练块使用K折交叉验证。在完成模型的选择后，测试块用于模型性能的评估。在上图中是5X2交叉验证，适用于计算性能要求比较高的大规模数据集。
接下来我们使用逻辑回归和随机森林来对这个数据集进行嵌套交叉验证

#逻辑回归from sklearn.model_selection import cross_val_score,GridSearchCVfrom sklearn.pipeline import Pipelinefrom sklearn.preprocessing import StandardScaler
pipe_lr = Pipeline([('scl',StandardScaler()),('clf',LogisticRegression(random_state=0))])
param_range=[0.0001,0.001,0.01,0.1,1,10,100,1000]
param_penalty=['l1','l2']
param_grid = [{'clf__C':param_range,'clf__penalty':param_penalty}]
clf_gs = GridSearchCV(estimator=pipe_lr,param_grid=param_grid,scoring='f1',cv=10,n_jobs=-1)
clf_f1_scores = cross_val_score(estimator=clf_gs,X=X,y=y,scoring='f1',cv=5)
print('CV clf f1 score:%.3f +/- %.3f'%(np.mean(clf_f1_scores),np.std(clf_f1_scores)))

结果为：

CV clf f1 score:0.969 +/- 0.012

#随机森林from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
rfc = RandomForestClassifier(random_state=0)#在bootstap为True和False的情况下的参数组合rfc_grid=[{'n_estimators':[3,10,15],'max_depth':[1,2,3,4,5,6,7,None]},
          {'bootstrap':[False],'n_estimators':[3,10],'max_depth':[1,2,3,4,5,6,7,None]}]
rfc_gs = GridSearchCV(estimator=rfc,param_grid=rfc_grid,cv=10,scoring='f1',n_jobs=-1)
rfc_f1_scores = cross_val_score(estimator=rfc_gs,X=X,y=y,scoring='f1',cv=5)
print('CV clf f1 score:%.3f +/- %.3f'%(np.mean(rfc_f1_scores),np.std(rfc_f1_scores)))

结果为：

CV clf f1 score:0.948 +/- 0.023

从结果来看，逻辑回归的效果似乎更好一点哦

• 既然用到了随机森林，那我们讲一下随机森林（属于bagging集成学习）
  随机森林可以视为多颗决策树的集成，鲁棒性更强，泛化能力更好，不易产生过拟合现象。但是噪声比较大的情况下会过拟合。可以简单的将随机森林算法概括为四个简单步骤：

1. 使用bootstrap抽样方法随机选择N个样本用于训练（从训练集中随机可重复地选择N个样本）
   2.使用第1步选定的样本来构造一个决策树。节点划分规则如下：
   （1）不重复地随机选择d个特征
   （2）根据目标函数的要求，如最大化信息增益，使用选定的特征对节点进行划分
   3.重复上述过程1~2000次
   4.汇总每棵树的类标进行多数投票。比如对于二分类类标，总共有15棵树，有10棵树分为1,5棵树分为0，则多数服从少数，最终结果为1

随机森林相对于决策树来讲没有那么好的可解释性，但其显著优势在于不必担心超参值的选择.不需要对随机森林进行剪枝，因为相对于单棵决策树来讲，集成模型对噪声的鲁棒性更好
在实践中，我们真正需要关心的参数是为构建随机森林所需的决策树数量（即第3步骤）。通常情况下，决策树的数量越多，随机森林整体的分类表现越好，但这会增加计算成本。其他可调的参数有：
1.n_estimators : 随机森林中树的数量，也就是弱分类器的数量
2.criterion: 两种衡量分割效果的方法，有基尼系数法和熵法(entropy)。
3.max_features : 寻找最佳分割时要考虑特征变量的个数
4.max_depth ：设置决策树最大深度，如果不设置该变量，决策树一直延伸直至每个叶节点都完美分类，或者所有叶节点内数量达到min_samples_split指定的样本数量。
5.min_samples_split: 分割一个内部节点所要求的最低样本含量，低于这个数量就不再分割了。
6.max_leaf_nodes :  叶节点最大数目，默认不限制叶节点的最大数量。
7.min_impurity_split: 如果纯度还高于阈值，继续分割，如果达到阈值，成为叶节点。
8.bootstrap : 在生长树的时候是否采用bootstrap的方法,默认是是True

6.不同的性能评价指标

理论部分可以看下这个分类算法模型评估理论篇

6.1混淆矩阵

先利用网格搜索算出最优的参数from sklearn.metrics import confusion_matrix,classification_reportfrom sklearn.linear_model import LogisticRegressionfrom sklearn.pipeline import Pipelinefrom sklearn.preprocessing import StandardScalerfrom sklearn.model_selection import GridSearchCV
pipe_lr = Pipeline([('scl',StandardScaler()),('clf',LogisticRegression(random_state=0))])
param_range = [0.00001,0.0001,0.001,0.01,0.1,1,10,100,1000]
param_penalty = ['l1','l2']
param_grid=[{'clf__C':param_range,'clf__penalty':param_penalty}]
clf_gs = GridSearchCV(estimator=pipe_lr,param_grid=param_grid,scoring='f1',cv=10,n_jobs=-1)
gs = clf_gs.fit(X_train,y_train)
print(gs.best_params_)
结果为：
{'clf__C': 0.1, 'clf__penalty': 'l2'}

clf = clf_gs.best_estimator_
clf.fit(X_train,y_train)
y_pred = clf.predict(X_test)
confmat=confusion_matrix(y_true=y_test,y_pred=y_pred)
class_report = classification_report(y_true=y_test,y_pred=y_pred)print(confmat)print('******************************')print(class_report)

结果

图片上的就是混淆矩阵
我们还可以可视化混淆矩阵

fig,ax=plt.subplots(figsize=(2.5,2.5))
ax.matshow(confmat,cmap=plt.cm.Blues,alpha=0.3)for i in range(confmat.shape[0]):    for j in range(confmat.shape[1]):
        ax.text(x=j,y=i,s=confmat[i,j],va='center',ha='center')
plt.xlabel('predicted label')
plt.ylabel('true label')

结果如下：

image.png

6.2精度和召回率

from sklearn.metrics import precision_score #精度from sklearn.metrics import recall_score,f1_score #召回率,f1分数print('Precision:%.3f'%precision_score(y_true=y_test,y_pred=y_pred))
print('Recall:%.3f'%recall_score(y_true=y_test,y_pred=y_pred))
print('f1:%.3f'%f1_score(y_true=y_test,y_pred=y_pred))

结果：
Precision:1.000Recall:0.929f1:0.963

#因为scikit-learn中将正类类标标识为1.如果想指定一个不同的正类类标来评分的话，可以如下操作from sklearn.metrics import make_scorer,f1_score
scorer = make_scorer(f1_score,pos_label=0)
gs = GridSearchCV(estimator=pipe_svc,param_grid=param_grid,scoring=scorer,cv=10)

以上这些也可以通过cross_val_score中的scoring参数指定计算出来

6.ROC曲线

from sklearn.metrics import roc_curve,aucfrom scipy import interp
X_train2=X_train[:,[4,14]]
cv = StratifiedKFold(y_train,n_folds=3,random_state=1)
fig=plt.figure(figsize=(7,5))
mean_tpr = 0.0mean_fpr = np.linspace(0,1,100)
all_tpr=[]for i,(train,test) in enumerate(cv):
    probas = pipe_lr.fit(X_train2[train],
                        y_train[train]).predict_proba(X_train2[test])
    fpr,tpr,thresholds = roc_curve(y_train[test],probas[:,1],pos_label=1)
    mean_tpr+=interp(mean_fpr,fpr,tpr)
    mean_tpr[0]=0.0
    roc_auc=auc(fpr,tpr)
    plt.plot(fpr,tpr,lw=1,label='ROC fold %d (area=%0.2f)'%(i+1,roc_auc))
plt.plot([0,1],[0,1],linestyle='--',color=(0.6,0.6,0.6),label='random guessing')
mean_tpr/=len(cv)
mean_tpr[-1]=1.0mean_auc=auc(mean_fpr,mean_tpr)
plt.plot(mean_fpr,mean_tpr,'k--',label='mean ROC(area=%0.2f)'%mean_auc,lw=2)
plt.plot([0,0,1],[0,1,1],lw=2,linestyle=':',color="black",label='perfect performance')
plt.xlim([-0.05,1.05])
plt.ylim([-0.05,1.05])
plt.xlabel('false positive tate')
plt.ylabel('true positive rate')
plt.title('Receiver Operator Characteristic')
plt.legend(loc='best')
plt.show()

结果为：

image.png

作者：鸣人吃土豆
链接：https://www.jianshu.com/p/c4e24a6a9633